1. 前言
全球ICT 正朝向軟體定義（ SoftwareDefined ）趨勢發展，軟體定義一切（ Software-Defined Everything， SDx）的概念應運而生。SDx主要概念涵蓋軟體定義網路（Software- Defined Networking，SDN）與網路功能虛擬化（ Network FunctionVirtualization，NFV)、軟體定義應用服務(Software- Defined Application Service，SDAS)、軟體定義運算與儲存(Software- DefinedComputing and Storage，SDCS)以及軟體定義基礎設施(Software- Defined Infrastructure，SDI)等四個主要面向，其目的在於將所有設備的功能虛擬化，從應用程式到基礎架構皆朝向靈活化、程式化、彈性化發展趨勢。
SDx將影響未來ICT產品發展策略與商業模式，且快速提供使用者所需的Apps和服務，未來硬體基礎設備都將軟體化與程式化。除了全球虛擬化大廠VMWare及Rat Hat外，包括EMC、NetApp、HP、IBM等一線儲存大廠，皆對於軟體定義伺服器與軟體定義儲存積極佈局。如Oracle更於2015年1月21日發表基於SDN的伺服器VirtualCompute Appliance(VCA) X5以及FS1 SeriesFlash Storage System，能減少安裝部署及管理的時間，可降低基礎架構複雜度達70%以及加快應用部署7倍時間。
而帶動此一軟體浪潮的關鍵因素，就是新型態的網路架構軟體定義網路（SDN）的崛起，SDN所帶來的效益包括集中控制（ centralizedcontrol ）、透過自動化降低複雜度（ reducedcomplexity ）、加速業務創新（ businessinnovation ）、增進網路可靠度與安全性（ reliability and security）以及更好的使用者經驗（user experience）[1]，其價值在於透過開放式創新（open Innovation的核心價值，達成節流（降低成本）以及開源（創造新營收）兩項主要目的。其設計理念是將網路控制層與資料轉發層進行分離，並實現可程式化網路控制。
SDN引發網路基礎設施的破壞式創新浪潮，初步討論焦點主要領域在資料中心應用，電信營運商則因為網路較為複雜與封閉，在導入與部署上較為不易。而SDN的集中管理概念整合網路功能虛擬化（NFV）技術，突破了傳統營運商網路因注重通訊標準、設備專用化、網路資源封閉等限制，降低對專屬硬體設備的依賴性，可減少營運商龐大的支出，易於建立可規模化和彈性化的網路環境。因此，目前許多關於SDN應用情境的討論，已由資料中心延伸至營運商（Carrier）網路，營運商網路有機會成為SDN初期商用化部署的領域，如資料中心（DC）內部與跨資料中心互聯的雲端服務等。而隨著產業對SDN與NFV的關注持續升溫，營運商正不斷展開實際的研究與試驗。
2.下一代營運商網路發展的挑戰
2.1營運商網路架構的特徵
隨著網際網路、巨量資料、雲端運算業務和線上影音服務（Over The Top，OTT）的蓬勃發展，營運商傳統網路架構在快速業務創新、商業模式轉變上，皆面臨嚴峻的挑戰。現今營運商網路的基礎架構有三個特徵：標準的通訊協定、專屬的網路設備以及封閉的網路資源。相較之下，SDN與NFV的開放式創新，無疑是協助電信營運商因應下一代寬頻網路發展的重要網路參考架構與基礎。
2.1.1標準化的通訊協定：
電信網路是一個注重標準發展的產業，但受限於標準化的漫長流程以及廠商和組織利益的角力，一個通訊標準從概念形成到商用階段，可能需要三至五年的發展時間。相較於網際網路的快速發60 ICT Journal No.161展與創新，電信網路冗長的標準化過程不易適時回應使用者經常變動的需求。此外，制訂標準要求全面性與共通性，不容易滿足營運商的網路環境和個別需求，但是為了與同業競爭，各個通訊設備廠商卻需要一一滿足各種營運商的需求，因而造成成本的上升。
2.1.2專屬的網路設備：
為了強調功能差異化及網路性能最佳化，通訊設備常常採用專屬網路功能以搭配專用設備的架構。一般而言，各種設備的配置與部署皆需要透過獨立的招標、測試、建置等程序，並搭配特定的管理維護人員， 因此造成營運商CAPEX和OPEX成本不斷上升的壓力。
2.1.3封閉的網路資源：
傳統電信網路的封閉性，使得電信商無法依據實際需求進行網路資源的配置，無法確保網路的服務品質（QoS）、資源的有效運用，且不易滿足使用戶最佳的服務體驗（QoE）。如何針對網路資源進行動態配置，以滿足不同類型應用的需求並提升網路利用率，成為營運商面對下一代網路架構變遷的一大挑戰。
2.2 SDN與NFV的價值和重要性
2.2.1 SDN與NFV具有高度互補性
SDN和NFV的共同點是在於都是基於一般普通伺服器與交換器，藉由雲端運算和虛擬化技術，並將IT產業的成功技術和經驗引入至電信網路，以降低電信網路成本、提供靈活度和智慧化。不同之處在於，NFV更注重於網路功能的軟體化，利用虛擬化技術增強網路功能部署的靈活性，而SDN則強調在資料傳送中的控制與資料轉發的分離。
簡單而言，NFV較偏重於網路通訊協定結構的上層應用，而SDN則偏重於網路通訊協定結構的下層， 兩者既相互獨立又可互補， 如SDN可以扮演NFV實體與虛擬設備資源編配（orchestration）的角色，優化頻寬、運作以及安全性的管理[2]。SDN的概念最初由 IT產業提出， 未來若能擴大應用範疇與規模，將對電信網路的基礎產生重大影響。但因為牽涉架構與部分設備的改變，對於現有環境衝擊相對較大，而NFV是由全球領導營運商合作提出的，從網路功能虛擬化入手，其影響相對較為溫和。
圖 1 營運商認為重要的SDN與NFV應用2.2.2 SDN與NFV對於營運商的幾項重要應用
雖然營運商對於SDN/NFV的研究依然處於起步階段，然而由調查資料也可以明顯看出，營運商對於導入SDN/NFV的興趣很高。其中已計畫部署SDN的營運商比例達97%，擬部署NFV的比例亦達93%，顯示SDN與NFV已逐漸成為營運商網路架構未來發展的新方向。
營運商期望透過SDN與NFV，不只能降低成本，還希望透過重要的應用，創造新的業務營收，其中營運商認為較為重要的應用，包括按需提供頻寬、動態政策與收費、彈性的服務鏈結、虛擬管理服務、虛擬私有雲、虛擬公有雲或混合雲、按時分配頻寬、虛擬核心網等（ 如圖1所示，顯示在調查的7分評價中得到6或7分的比例）[3]。
其中按需提供頻寬（ Bandwidth onDemand）的應用高居榜首，有約58％ 營運商給予6或7分的評價。當企業客戶在預期網路流量會大幅增加時，如因應主持視訊會議或者季節性的購物情境，獲得更多的頻寬將是一大助力，而消費者則能夠在需要收看線上影音時，選擇取得更大的頻寬。其次，認為動態政策和收費為重要應用的佔52％ ，允許營運商依據客戶選定的頻寬服務定價，確保付費較高的客戶能夠獲得他們所購買的頻寬。而以佔48％ 並列第3名的應用，則是彈性的服務鏈結、虛擬管理服務以及虛擬私有雲，彈性服務鏈結代表允許在處理不同網路服務時，能在需要的時候進行資源擴展，並且在不需要的時候能自動縮減，而虛擬管理服務則包括如防火牆或家長控制等不同服務。
3. 營運商導入SDN與NFV關鍵因素
3.1 協同的管理系統：
在營運商等級SDN（Carrier-grade SDN）的發展中，中國大陸廠商華為與日本廠商NEC均已提出對應的策略方案，在技術發展上取得先機。Carrier SDN將帶來網路運營管理系統的變革，實現使用者雲端應用、用戶管理、IP和光纖網路的協免費訂閱第161期電腦與通訊61同管理，統籌管理整體網路資源，加快業務的推出與實現。透過開放的可程式應用程式介面（OpenAPI），可實現網路流量控制、流量靈活計費和網路資料分析等創新應用與服務。
3.2 軟體定義的資料中心：
未來的營運商IP網路將圍繞資料中心而建設，Carrier SDN通過IT和運作系統的協同控制和管理，實現資料中心內、資料中心的自動化業務部署；通過遠端軟體更新就可以靈活支援各類資料中心解決方案，而不需升級既有硬體設備。而藉由軟體定義的資料中心（ Software-defined DataCenter，SDDC）的建置與連結，可以支援不同時期的設備與跨不同供應商的技術方案。
3.3 網路架構與業務的重新建構：
Carrier SDN對傳統的網路架構與業務管道進行了架構重組，實現管理和轉發的分離，中間採用標準化的介面， 方便營運商提供創新應用服務；SDN與NFV的整合，提供Layer 1至Layer 7完整的架構和應用，為營運商提供靈活創新的平台，快速滿足用戶的多樣需求。
3.4 軟體定義的傳輸網路：
Carrier SDN能將光纖網路進行軟體配置，提供即時頻寬與彈性的傳遞網路，使傳統傳遞網路具備了極大的靈活性，傳輸速率與距離皆可透過軟體加以設定，可適用不同的網路應用需求，提高傳輸資源的利用率。
3.5 軟體定義的接取網路資源：
Carrier SDN將簡化大量設備維護，統籌管理各種接取資源，大幅降低維護成本。通過轉發與控制的分離，接取網的遠端設備將可實現隨插即用，由局端設備統一集中管理， 在不更改硬體的情況下， 靈活支援xDSL 或FTTx 等固網接取網路的升級。因此，漸進式的改變既有網路設備，才能發揮SDN與NFV的最大價值，實現彈性化、簡單化與資源最大化的下一代營運商網路環境。
圖 2 SDN與NFV市場規模預測4. Carrier SDN與NFV市場與應用
4.1 Carrier SDN相關軟硬體市場機會
過去3年來，SDN和NFV引發電信產業對於願景、目標、架構、案例、驗證試驗，甚至一些商業部署的廣泛討論。但現階段仍然處在初步發展時期，未來還需要很長一段路與努力，才能達成電信網路典範的轉移。
SDN和NFV的出現，代表ICT市場發展正從以硬體為中心的思維轉向以軟體為中心， 預估2018年SDN和NFV軟體與硬體市場將超過111億美元（如圖2所示），2013至2018 CAGR 約為86%[4]；其中SDN與NFV的軟體市場將大於硬體，軟體與硬體比重約為3.3比1。
至於NFV方面，NFV軟硬體相關收入總和將於2018年達81億美元，相較於SDN的30.6億美元，有更大的市場機會，NFV整體收入大約是SDN的2.6倍。主要原因在於，NFV最大價值為提供虛擬化網路功能（Virtualized Network Functions，VNFs）軟體應用，而不僅僅是編配和控制，各種VNFs 功能即占了NFV軟體超過90％ 的比重。而SDN和NFV其實並非全新的市場，約有三分之二來自於既有市場分類，只有21％是新的軟體市場，而12％是具取代性的NFVI硬體設備（見圖3所示），如新的伺服器、儲存、交換器等，用以取代專用網路中路由器、DPI、防火牆等硬體。因此，未來SDN和NFV市場主要來自於VNFs的軟體功能， 使現有的路由器、交換器和光纖設備都能支援且具備SDN的能力[5]。
在SDN的硬體應用上，主要為交換器和路由器等硬體，至於軟體則包含服務編配與Controller軟體，以及網路應用功能；在NFV應用部份，硬體為基於NFV基礎設施（ NFV Infrastructure，NFVI）的伺服器、儲存設備以及交換器，軟體則包括NFV管理與服務編配（ Management andOrchestration，MANO）以及VNFs。其中VNFs涵蓋政策及計費規則功能（Policy and ChargingRules Function，PCRF） 、深層封包檢測（DeepPacket Inspection，DPI ）功能、行動封包核心（ Mobile Packet Core ）與演進封包核心網（Evolved Packet Core，EPC）、IP多媒體子系統（IP Multimedia Subsystem，IMS）功能、安全功能以及虛擬路由器等。
4.2營運商導入SDN與NFV存在的四大挑戰
4.2.1 集中控制管理和安全性挑戰：
大型資料中心有成千上萬的交換器與虛擬交換器，而大型電信網路也有數百萬台設備，這樣大規模網路的集中管理、配置和安全機制是一個很大的挑戰。
4.2.2 網路維護系統和人才的挑戰：
現有龐大網路包含不同來源的新款和舊軟硬體設備，如何採購、整合以及相互運作，都對現有的網路建設和系統維護造成不小的壓力，也對營運商有限的技術人力和技術能力形成很大的挑戰。
4.3.3 硬體性能和可靠性的挑戰：
電信網路對於晶片性能的要求高於運算功能，但是目前還沒有能完全符合OpenFlow SwitchSpecification Version 1.4/1.5的商用晶片。因此基於一般通用處理器的硬體處理能力，不能滿足軟體定義網路的要求，導致流表容量、轉發速率、低延遲性以及可靠性等還不符合實際要求。
4.4.4 軟體複雜性和有效性問題：
SDN主要仰賴軟體定義的流表和對應的網路功能，隨著流表設計不斷擴增[6]，SDN控制器需要為每一個流表選擇一條適合的通道，其複雜性越來越高，尤其對於大規模的電信網路，軟體的複雜性和有效性面臨很大的問題。
面對上述挑戰，解決SDN安全性、創新應用、網路轉換等問題為當務之急，而可靠度、互通性以及創新的成功營運模式，更是廠商未來值得持續關注的重點。
5. 結論
SDN與NFV的興起，代表網路典範已由以往專注硬體轉而以軟體為核心， 進而帶動SDx的網路功能虛擬化新發展潮流；預估SDN與NFV市場整體產值將於2018年達到111億美元，其中超過70%來自於軟體功能和應用。SDN與NFV導入營運商網路具備不小的市場潛力與機會，但同時亦面臨技術、產品成熟度以及安全性等問題， 營運商全面引入SDN， 將對於骨幹網路與核心網設備替換造成衝擊，甚至對於營運商內部組織結構和運營方式上，也會造成很大的影響；這些都是營運商決心大規模引入SDN與NFV之前，需要進行詳細評估與考量的因素。建議營運商採取漸進、務實的遷移和發展策略，並考量技術層面以外的組織結構、商業模式、維運和人才等議題。
此外， 營運商導入SDN與NFV的立即性挑戰，便是新型態SDN與既有傳統網路共存的問題。為此，ONF特別新成立了Carrier Grade SDN的工作小組，關注電信營運商在SDN環境下的特定需求和使用情境，包括使用案例、部署考量以及限制等要素。建議營運商分步驟、分階段引入SDN與NFV，初期可以首先引入廣義的SDN概念，實現局部創新以及解決現有營運商網路中的問題。亦可以優先考慮北向介面的開放，通過北向介面引入更多的網路創新應用，開放營運商網路能力，提供虛擬營運的平台。
未來SDN與NFV架構和技術理念也可以應用到營運商網路的其它多種情境，例如骨幹網路的調整與優化、智慧型都會區網路等，同時將給營運商帶來更大的商業價值。未來SDN與NFV發展趨勢亦將持續朝向Open Source Software 結合 Whitebox發展，開放式的SDN生態系統及解決方案將成為市場主流。
參考文獻
1.Software-Defined Networking: The New Norm for Networks, ONF White Paper, 2012.
2.Network Functions Virtualization White Paper[online]. Available: http://portal.etsi.org/NFV/NFV_White_Paper.pdf
3.M. Howard, “SDN and NFV Strategies: Global Service Provider Survey”, Infonetics Research,2014.
4.M. Howard, D. Myers, J. Wilson, “Carrier SDN Hardware and Software: Market Size andForecasts” , Infonetics Research, 2014.
5.The SDN, NFV & Network Virtualization Bible:2014 – 2020, Signals and Systems Telecom,2013.
6.OpenFlow Switch Specification [online].Available:https://www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdn-resources/onf-specifications/openflow/openflow-spec-v1.4.0.pdf
作者簡介
蘇明勇
現任職於工研院產經中心電子與系統組通訊研究部。
國立台灣海洋大學電機系學士；台北市立大學科學教育研究所碩士。
曾服務於國內網通及電腦公司。
研究領域包含新一代寬頻通訊以及軟體定義網路、物聯網、智慧城市等產業研究。
